UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR
Facultad de ingeniería química
LABORATORIO DE ANALISIS QUIMIICO
FILTRACION
INTEGRANTES: Benalcázar Valeria
Salinas Macarena
Quito – Ecuador
FILTRACION
La filtración es una de las técnicas de separación más antiguas. Es un método
físico-mecánico para la separación de mezclas de sustancias compuestas de
diferentes fases. Un medio filtrante poroso es atravesado por un líquido o gas
(fase 1) y las partículas sólidas o gotículas de un líquido (fase 2) quedan retenidas
en la superficie o en el interior del medio filtrante.
En función de las fases se distinguen diferentes campos de aplicación:
Filtración de
• Partículas sólidas de líquidos (suspensiones)
• Partículas sólidas de gases
• Gotículas líquidas de gases (aerosoles)
• Gotículas de un líquido no miscible de otro líquido (emulsiones)
Con ayuda de la filtración se pueden separar componentes sólidos de
suspensiones o gases, así como componentes líquidos de aerosoles o
emulsiones. Mediante un filtro hidrófobo se puede filtrar p.ej. agua de
combustibles. Aire u otros gases se pueden limpiar de aerosoles de agua, aceite o
alquitrán.
En función del problema o bien de la finalidad de la filtración, se distingue entre
filtración de separación o filtración clarificante.
En el caso de la filtración de separación, se trata de recuperar un determinado
sólido de un líquido (torta de filtrado) para seguir trabajando con el sólido. Aquí no
es imprescindible que todas las partículas sean eliminadas del líquido.
Contrariamente, en la filtración clarificarte, el líquido se debe limpiar en lo posible
completamente de componentes indeseados o precipitados, para poder seguir
trabajando con el líquido purificado.
La filtración tiene una amplia gama de aplicaciones: desde el procedimiento
analítico en el laboratorio hasta aplicaciones técnicas en grandes líneas de
producción. En prácticamente todas las ramas industriales se filtra – ya sea p.ej.
en el análisis de alimentos, el ensayo de morteros, el análisis de humos o en el
control microbiológico.
1. CLASIFICACION DE LA FILTRACION
La filtración se clasifica de acuerdo a los siguientes aspectos:
a) Material a separar
b) Fuerza impulsora
c) Flujo
d) Mecanismo retención
a) Material a separar
Filtración convencional: filtración para clarificación soluciones ≥ 10
μm
Micro filtración: 0.1 – 10 μm (agua p. iny.)
Ultrafiltración: 0.001 – 0.1 μm (macromoléculas), utilización de
membranas
Ósmosis inversa: 0.001 – 0.0001 μm (iones) (membranas- p)
Imagen 1-1
Clasificación en función del tamaño de las partículas a separar
Fuente: www.monografias.com
b) Fuerza impulsora
Hidrostática (gravedad)
Presión
Vacío
Centrifugación
c) Flujo
Constante
Variable
d) Mecanismo retención
Cribado
Adsorción
1.1. Filtración con papel
Los papeles de filtro y los cartuchos de papel retienen las impurezas en la
superficie y en la matriz del filtro. Frecuentemente se denominan como
filtros de profundidad y tienen una elevada capacidad de retener partículas
y permiten procesar grandes cantidades de muestra. Las impurezas se van
acumulando a medida que avanza la filtración dentro del filtro, modificando
las propiedades de filtración. Entre las fibras dispuestas anárquicamente del
filtro de profundidad se forma un lecho filtrante secundario. Esta es la razón
por la que no se puede determinar una porosidad nominal para los filtros de
profundidad.
1.2. Filtración con membrana
La membrana filtra fundamentalmente en la superficie de la misma.
Partículas mayores que la porosidad nominal permanecen sobre el filtro,
mientras que las partículas más pequeñas pasan el filtro, a no ser que otras
interacciones en el filtro retengan éstas en la matriz de la misma. Se puede
ensayar la integridad de los filtros de membrana. La filtración es claramente
más lenta que con filtros de profundidad.
1.3. Filtración por vacío o por presión
En filtraciones sencillas únicamente la gravedad actúa sobre el proceso.
Como consecuencia, los tiempos de filtración son largos.
La aplicación de vacío en el lado donde se recoge el filtrado o la aplicación
de presión en la parte superior del filtro aceleran la filtración. El montaje
aparatístico resulta así algo más complejo, pero es una desventaja que
queda claramente compensada gracias a la obtención de tasas de flujo más
elevadas. Los aparatos diseñados para filtración en línea o por lotes, son
mecánicamente estables a la presión y están fabricados con materiales de
elevada calidad químicamente resistentes. Soportes adecuados para los
filtros garantizan que estos resistan las diferencias de presión. La
construcción de los aparatos posibilita la sencilla sustitución y una limpieza
cómoda.
1.4. Filtración de superficie
Cribado: Retención mecánica, es función del tiempo:
Límite de separación absoluto
Estructura homogénea
Espesor pequeño (no absorben líquidos)
Colmatación rápida (>S, pre-filtros, coadyuvantes)
Figura 1.4-1 filtración de superficie
Fuente: http://catalogo.rodelab.com/Whatman/02_Filtros.pdf
1.5. Filtros en profundidad
Adsorción: atracción electrostática o fuerzas de Van der Waals
Estructura tridimensional
Gran tortuosidad
Adsorción + Cribado
Límite de separación nominal
Cesión fragmentos y/o impurezas
No se colmatan rápidamente
Gran capacidad de retención
mayor absorción de líquido
Figura 1.5-1 filtración en profundidad
Fuente: http://catalogo.rodelab.com/Whatman/02_Filtros.pdf
2. CINÉTICA DE LA FILTRACIÓN
No obstante el extenso conocimiento de los mecanismos de la filtración, no
se ha podido llegar a encontrar un modelo matemático que describa con
precisión el comportamiento de los diferentes parámetros de operación de
los filtros. No existe, hasta ahora, ninguna fórmula o conjunto de fórmulas
con las cuales, asumidos determinados valores, se puedan calcular los
diferentes parámetros que inciden en el funcionamiento de un filtro.
Obviamente, esta dificultad no limita el hecho de poder determinar los
parámetros del proceso de filtración experimentalmente.
Resulta, entonces, conveniente realizar estudios con filtros piloto, cuando
se quiera conocer el comportamiento de un determinado filtro con una cierta
suspensión, ya que cualquier alteración en esta o el medio filtrante significa
un cambio en los parámetros del proceso.
Sin embargo, los modelos matemáticos resultan útiles para la mejor
comprensión del proceso de filtración. Un gran número de autores ha
desarrollado expresiones matemáticas que establecen relaciones entre las
diferentes variables del proceso.
2.1. Balance de masas
El balance de masas tiene una doble finalidad en el análisis de la filtración.
En primer lugar, conjuntamente con la ecuación que describe la remoción
de partículas suspendidas, permite determinar la distribución de los
depósitos en el medio filtrante en función de la posición y del tiempo. En
segundo lugar, el balance de masas conduce a una expresión que hace
posible conocer la cantidad de sólidos removidos por unidad de volumen
del medio filtrante.
A continuación se presentan algunas de los parámetros generales para la
filtración:
Caudal:
Flujo:
Ec. Poiseuille:
Figura 2.1-1 Elemento de lecho filtrante
Fuente:
http://personal.us.es/mfarevalo/recursos/tec_far/filtracion.pdf
Velocidad lineal media:
Porosidad:
Superficie efectiva de filtración:
Superficie opaca:
2.2. Consideraciones prácticas sobre la velocidad de filtración
Presión: fuerza impulsadora
Cantidad y características de los sólidos
SOLIDOS CRISTALINOS INDEFORMABLES TAMAÑO UNIFORME
TORTAS FLOCULENTAS
GELES
Existe un tamaño crítico de partículas suspendidas, del orden de 1
μm, el cual genera menos oportunidad de contacto entre la partícula
suspendida y el grano del medio filtrante. Este hecho se puede
observar desde el principio, cuando el medio filtrante está limpio,
hasta el final de la carrera de filtración. Algunos productos químicos,
como los coagulantes tradicionales y los polímeros, pueden usarse
para ajustar el tamaño de las partículas suspendidas de modo de
obtener una eficiencia mayor. Las partículas menores que el tamaño
crítico serán removidas eficientemente, debido, principalmente, a la
difusión; mientras que las mayores también serán removidas
eficientemente debido a la acción de otros mecanismos, como la
intercepción y la sedimentación.
Reducción sustancial del
consumo de coagulante.
Menor volumen de lodo
producido en la planta.
Facilidad en el tratamiento de
agua cruda con baja turbiedad.
2.3. CARACTERISTICAS DEL MEDIO FILTRANTE
Elevado poder de retención de partículas omicroorganismos
Gran resistencia química y mecánica
Facilidad de desprendimiento de la torta
Máximo volumen filtrable
Elevado caudal de filtración con mínima resistencia al flujo
No exista extracción de ningún componente del filtro
Escasa o nula capacidad de adsorcion de sustancias (macromoléculas, conservantes, etc.)
2.4. MEDIOS FILTRANTES
2.4.1. Materiales filtrantes sueltos: Algodón, lana de vidrio, pasta de celulosa, sílice, carbón vegetal
Separación partículas grandes
Cesión de filamentos (filtrar varias veces)
2.4.2. Materiales porosos:
Vidrio fritado: Inercia química, carga negativa
Metales sinterizados: Filtración de gases
Porcelana porosa y sílice: Filtración en profundidad
2.4.3. Tejidos y membranas
2.4.3.1. Fibras de celulosa FILTRACION
Placas, discos, papeles (ceden fibras)
Estado seco: líquidos polares y apolares
Estado húmedo: líquidos polares
Filtro en profundidad
Esterilizables con vapor de agua
Clarificación y pre filtró
2.4.3.2. Esteres de celulosa
Membranas de nitrocelulosa y acetato de celulosa: muy utilizados
Amplia gama de tamaño de poro y bien definidos
Muy porosos (80%): elevado caudal de filtración
Filtración en superficie y esterilizante
Estabilidad térmica limitada (80 °C)
Componentes extraíbles (nitrocelulosa)
Incompatibles con ciertos disolventes orgánicos
2.4.3.3. Fibra de vidrio
Retículo de fibras finas de vidrio, relativamente grueso (0.25 mm)
Caudal alto, gran capacidad antes de colmatarse y elevada resistencia química
Resistentes al calor y de bajo costo
Cesión de fragmentos al filtrado
Filtración en profundidad
2.4.3.4. Fibras sintéticas Polipropileno, Nylon, Polisulfona, Difluoruro de polivinilideno (PVDF), Politetrafluoruro de etileno (PTFE o teflon), Policarbonato
Alta resistencia y ceden pocas fibras
Filtración en superficie
Alta porosidad, tamaño uniforme de poros
Se utilizan como filtros finales (micro- y ultrafiltración) y algunos en filtración esterilizante
OCLUSIÓN:
En este proceso los iones extraños quedan atrapados en el interior del cristal. El
grado de oclusión depende hasta cierto punto de la velocidad de precipitación. La
oclusión también se puede producir por atrapamiento mecánico del disolvente en
los huecos del cristal, las oclusiones son cúmulos de impurezas atrapados en el
cristal durante el crecimiento de este. La purificación por disolución y re
precipitación puede ayudar a eliminar las impurezas. Los precipitados coagulosos
o gelatinosos no presentan impurezas ocluidas.
INCLUSIÓN:
Ocurre cuando la impureza ocupa un nodo en la red cristalina del precipitado. Así
el BaSO4(s) puede alojar iones cromato (CrO4 2-)los cuales ocupan el lugar de
alguno de los iones SO4²- en el ordenamiento cristalino.
Inclusión isomórfica (o formación de cristales mixtos), según la cual el
compuesto de coprecipitado posee una composición química y una dimensiones
tales que le permiten encajar en la estructura cristalina del precipitado sin causar
en ella tensiones apreciables ni distorsiones
Inclusión no isomórfica (o formación de soluciones sólidas), según la cual
aparecen como disueltas en el precipitado pequeñas cantidades de impureza.
ADSORCIÓN:
Cualquier gas, vapor, líquido o soluto se puede adherir a una superficie sólida
porosa a temperatura ambiente o menor (30 a 0°C). La estructura del adsorbente
es cristalina y las fuerzas de valencia que unen los átomos del enrejado están
insatisfechas en su superficie. Las moléculas del adsorbato son así atraídas a la
superficie exterior y también a la interior a través de una amplia red de canales
extremadamente finos y poros submicroscópicos [1-3,6]. Éstas y la facilidad de
manipulación son las características que hacen que estos sólidos sean preferidos
para recolectar muestras de aire.
El mismo tipo de fuerzas que causa la condensación está involucrado en la
adsorción física. La cantidad de gas adsorbido en condiciones seleccionadas es
directamente proporcional a su facilidad de condensación. De tal manera que el
punto de ebullición es una buena indicación de la facilidad del compuesto para ser
adsorbido. La tendencia del gas a adsorberse aumenta con la presión y disminuye
con el aumento de la temperatura a la que esté sometido. Por lo general, la
adsorción del gas progresa rápidamente en la primera exposición. Después, el
proceso continúa a un ritmo menor conforme la superficie adsorbente va siendo
ocupada por moléculas del gas.
Adsorción superficial, según la cual el precipitado resulta impurificado por un
compuesto constituido por los iones adsorbidos en la superficie del sólido y los
contra-iones de carga opuesta presentes en la película líquida inmediatamente
adyacente a la partícula.
Tabla 1. Adsorbentes sólidos más comunes
La adsorción física es fácilmente revertida por desorción con alta temperatura o
por uso de solvente. Ambas técnicas son empleadas para recuperar el adsorbato y
someterlo al análisis químico. La desorción térmica se usa para recuperar VOC y
generalmente el muestreador es colocado en línea con un equipo de
cromatografía de gases convencional o con detector de masas.
No existe un adsorbente universal; la razón es la amplísima variedad de tipos,
tamaños y reactividades de los contaminantes presentes en el aire. El carbón
activado es el soporte más común para vapores orgánicos y la sílica gel es lo
mejor para vapores inorgánicos y orgánicos polares. Hay muchos más, pero el
criterio principal para aceptarlos es que puedan recoger, atrapar y estabilizar
exitosamente los contaminantes de manera que puedan ser apropiadamente
analizados luego de un tiempo.